Novel 3D / VR Interactive Miljö för MD simuleringar, visualisering och analys

1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced
Published 12/18/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Doblack, B. N., Allis, T., Dávila, L. P. Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis. J. Vis. Exp. (94), e51384, doi:10.3791/51384 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Den allt snabbare utvecklingen av datorer (hårdvara och mjukvara) under de senaste decennierna har påverkat vetenskaplig forskning inom många områden, inklusive materialvetenskap, biologi, kemi och fysik bland många andra. Ett nytt beräkningssystem för noggrann och snabb simulering och 3D / VR-visualisering av nanostrukturer presenteras här, med hjälp av öppen källkod molekyldynamik (MD) datorprogram Lammps. Denna alternativa beräkningsmetoden använder moderna grafikprocessorer, NVIDIA CUDA-teknik och specialiserade vetenskapliga koder för att övervinna bearbetningshastighet hinder som är gemensamma för de traditionella datormetoder. I samband med ett virtuellt system verklighet används för att modellera material, gör denna förbättring tillägg av accelererad MD simulering förmåga. Motivationen är att åstadkomma en ny forskningsmiljö som samtidigt medger visualisering, simulering, modellering och analys. Forskningen Målet är att undersöka strukturen och egenskaperna av oorganiskt nanostructures (t.ex. kvarts glas nanosprings) under olika förhållanden med hjälp av denna innovativa beräkningssystemet. Arbetet presenterades skisserar en beskrivning av 3D / VR Visualisering System och grundkomponenter, en översikt över viktiga överväganden som den fysiska miljön, information om installation och användning av det nya systemet, ett allmänt förfarande för accelererad MD förbättring, teknisk information och relevanta anmärkningar. Effekterna av detta arbete är att skapa ett unikt beräknings system som kombinerar nanomaterial simulering, visualisering och interaktivitet i en virtuell miljö, som både är en forsknings- och undervisningsinstrument på UC Merced.

Introduction

Materialvetenskap är ett tvärvetenskapligt område som undersöker struktur-egenskapsrelationer i fråga för deras tillämpning på många områden av vetenskap och teknik. Som struktur-egenskapsrelationer undersöks genom datorsimuleringar förutom experiment, beräkningsverktyg erbjuder kompletterande funktioner som kan förbättra forskningen. Även nanomaterial är av intresse för forskare och ha försonande värde för deras potentiella sociala konsekvenser, är denna storlek regim fylld med många utmaningar som finns framför allt i experiment.

Datorsimuleringar tillåter forskare och ingenjörer för att utföra specialiserade tester i en stor mängd olika miljöer begränsas endast av tid och beräkningsresurser. Molekyldynamik (MD) simuleringar tillåter lämplig tidpunkt och längd skalor att studera de fenomen av intresse i många nanomaterial. Simuleringar utöka studien av material genom att ta bort de begränsningar av than fysiskt laboratorium, men många beräkningsverktyg saknar tillgängliga, intuitiva gränssnitt för forskning. Förbättring med grafisk visning av modeller, effektiva beräkningsalgoritmer, och grafisk processorn (GPU) baserad computing kompletterar nuvarande simulerings insatser. Dessa nya grafik enheter kombineras med centralenheter effektivt att tillåta matematiskt intensiva beräkningar som skall utföras av GPU. Resultatet är en effektiv acceleration beräkning av storleksordningen 10x åtföljs av en minskning av energiförbrukningen med upp till 20x.

Målet med detta forskningsprojekt var att utveckla och implementera ett nytt verktyg för nano undersökning som direkt ansluter ett interaktivt gränssnitt till MD simuleringar, materialvetenskap analys och 3D-visualisering. Detta innovativa system med unika och kraftfulla analysmöjligheter har använts för nanoskala forskning och utbildning vid UC Merced, med direkta konsekvenser för andra rel intresse- STEM områden som nanoteknik, fysik, biologi och geologi, och ultimata nytta för utbildning och samhälle.

3D / VR Visualisering System fördes både som forsknings- och undervisningsinstrument som gör det möjligt att skapa och manipulera atomära strukturer i en interaktiv virtuell 3D verklighet (VR) miljö. Systemet skapades från en uppsättning relativt låg kostnad och tillgängliga komponenter enligt den modell som ursprungligen utvecklades av Dr Oliver Kreylos på UC Davis 1.

Nedan är en bild av den slutliga 3D / VR Visualization System layout, med viktiga komponenter märkta (Figur 1). Detta system upprättades ursprungligen för utbildningsändamål på UC Merced 2009. Genomförandet av den ursprungliga 3D / VR-systemet ledde till fackgranskade publikationer 2-3. Tabell 1 nedan sammanfattar de viktigaste egenskaperna för varje element i 3D / VR Visualisering System.

ntent "fo: keep-together.within-page =" always "> Figur 1
Figur 1. 3D / VR Visualisering System och huvudkomponenter (till vänster) i Davila Research Laboratory vid UCM och visualiserings enheter (till höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Punkt Komponent Funktionalitet i System
EN 3D-TV 3D-visning av modellerade molekylära strukturer och menyerna på skärmen.
B Infraröd (IR) tracking kameror 4 IR-kameror spårpositioner Wiimote och 3D visning glasögon i användar arbetsyta framför 3D-TV, vilket gör virTual 3D manipulation av visade strukturerna.
C Spårnings PC Körs IR-kamera spårningsprogram och sänder Wiimote och 3D goggle positioner till modellering dator.
D Wiimote Används för ledning på skärmen för modellering av programvara och att manipulera strukturer i 3D virtuell miljö.
E 3D-glasögon 5 Synkroniserad med 3D-TV IR-signal, tillåter 3D-vy över strukturen. Position spåras av IR-kameror för noggrann 3D-vy.
F Modellering PC Körs NCK / VRUI 3D-modellering och visning programvara 6, accepterar goggle / Wiimote positions- och styrsignaler för att skapa exakta 3D molekylstruktur vy.

Tabell 1. Funktionalitet av huvudinslagen i 3D / VR Visualisering System på UCM.

Description av 3D / VR Visualisering System och grundläggande komponenter:

3D / VR Visualisering Systemöversikt - 3D / VR Visualisering System består av en uppsättning av IR-kameror och mjukvara som arbetar tillsammans med 3D-modellering programvara för att tillåta en användare att interaktivt skapa 3D molekylära strukturer. IR-kameror och programvara spåra 3D platsen för en Wiimote och 3D visning glasögon som använder IR markörer, och vidarebefordra detta till modellering programvara. Modeller Programvaran använder Wiimote styrsignaler och rörelse för att generera molekylära 3D strukturer kan visas med en kombination av en 3D-kapabel storformat tv med synkroniserade och spårade 3D-glasögon. Detta resulterar i en 3D virtuell verklighet arbetsyta där användaren kan dynamiskt skapa och manipulera virtuella molekylära strukturer som återspeglar verkliga fysiska beteende utifrån interatomkrafter som används i modellering programvara (Figur 2). Speciella considerations för att inrätta detta system kan hittas i kompletterande material.

Figur 2
Figur 2. Undersöka kiseldioxid nanomaterial med hjälp av 3D / VR Visualisering System. (A) En forskare skapar en initial kristobalit modell (kristallint) innan GPU-baserade simuleringar. (B) När du utför en simulerad MD smältsläckningsförfarande på modell visas i (a), en annan forskare får en kiseldioxidglas modell (icke-kristallina). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3D / VR Visualization System Enhancement - MD Simulering Capability:

Molekyldynamik simuleringssystem vanligen genomförs i ettmulti-nodal mode, det vill säga, är en stor arbetsbelastning distribueras eller parallelliseras bland tiotals till tusentals processorer. Nyligen har ytterligare möjligheter för accelererad vetenskapliga beräkningar uppstått ur utvecklingen inom datorgrafik bearbetning. Dessa framsteg inkluderar en programvara gränssnitt som möjliggör för forskare att dra nytta av den mycket parallella natur processorkraft inneboende grafikkretsar. Med tillkomsten av Compute Unified Device Architecture eller CUDA 7, kan forskarna använda GPUs 8 för att öka hastigheten med vilken problem löses samtidigt minska kostnaderna för infrastrukturen. En typisk GPU kan ha motsvarande hundratals till tusentals kärnor eller "noder" för att bearbeta information och eftersom dessa kan varje användas parallellt, kan en väl kodad lösning ge upp till 1,000x genomströmning acceleration mot sin multi-core motsvarighet . Även om inte alla problem är väl lämpad för detta tillvägagångssätt, har nuvarande MD simuleringar sett upp till 15x genomströmning prestanda vinner 9. Detaljer om 3D / VR visualiseringssystem MD-GPU förbättring kan hittas i kompletterande material.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Installera 3D / VR-modellering programvara på Modeling PC

  1. Installera LINUX bas operativsystemet på modellering PC (Ubuntu x86 / AMD64 beroende på maskinvara).
  2. Ändra LINUX grundläggande operativsystemet.
    1. Installera bibliotek och lägga till funktioner som behövs.
  3. Installera VRUI och NCK 3D / VR-modellering programvara på Modeling PC 6.
    1. Kontrollera relaterade webbplatser 1,6 för att få senaste versionerna av alla modelleringsprogramvarukomponenter.
    2. Kompilera, konfigurera och testa VRUI.
    3. Installera och testa NCK.

2. Konfigurera Tracking System 1

  1. Mount IR Spårning kameror 4
    1. Skapa en styv kamera upphängningsram direkt ovanför framkant 3D-tv nära taket för bästa täckning. Mount 3 kameror på svängbara fästen direkt ovanför de främre hörnen och den i mitten av 3D-tv. Se till att täckningen vinkeln för varje kamera bara gRazès den främre ytan på TV: n.
    2. Sikta kamerorna för att ha största täckningsvinkel (45 grader) parallellt med framsidan av 3D-tv. Använd en smalare täckningsvinkeln (30 grader) som är vinkelrät mot den främre delen av 3D-TV. Låt för maximal överlappning inom det önskade 3D arbetsutrymme. Säker föremål är i synhåll av minst två kameror som ska spåras med framgång (Figur 3).
      Figur 3
      Figur 3. IR spårning kameratäckning för att maximera 3D arbetsyta framför TV: n. Delar (A) och (B) visar fram och från sidan med avseende på 3D / VR Visualisering System. Klicka här för att se en större version av denna siffra .
  2. Experimentera med alternativa kameraplacering vid behov för att skapa en adekvat3D arbetsyta. Detta kan behövas om det vertikala kameramonteringsavstånd begränsas.
  3. Installera och Kalibrera Tracking Software
    1. Installera OptiTrack Rigid Body Toolkit på spårnings dator med inkluderade installationsmanual.
    2. Ställ Threshold, exponering, värderar Illumination beroende miljö och ställa Capture Kvalitet till hög, som beskrivs i de spårningsprogramvaruinstruktioner.
    3. För Wand Capture, vara noga med att ta bort allt annat reflekterande material från 3D arbetsytan. Flytta smidigt hela kamera överlappning arbetsområde med reflekterande trollspö. Upprepa tills standard och menar felen nedan "0.5" erhålls sedan spara kalibreringsfilen.
    4. Ställ markplanet för att etablera en spårad 3D arbetsområde koordinatsystem ursprung. Definiera Wiimote och 3D goggle spårade objekten som beskrivs i spårningsprogramvaruinstruktioner.
  4. Komplett VRUI Kalibrering
    1. Ställ VRUI att acceptera tracking information från spårning dator.
    2. Verifiera spårning funktionalitet i VRUI använder DeviceTest kalibreringsverktyget.
    3. Rikta VRUI 3D-visningen och spårningsprogram koordinatsystem.
    4. Ställ orientering spårade Wiimote och 3D-glasögon med hjälp AlignTrackingMarkers inriktningsprogram.

3. Förbered 3D-system för användning

  1. Före början, ta bort alla reflekterande smycken (dvs, klockor, örhängen, metaller, etc.). Ta inte bort korrigerande glasögon som behövs för att fokusera på skärmen.
  2. Montera utrustningen för 3D / VR Visualisering System:
    1. Modellering dator
    2. Spårnings dator
    3. Storformat 3D-kapabel TV
    4. Videokabel mellan modellering dator och 3D-TV
    5. 3D IR-sändaren för 3D-tv
    6. Ethernet-kablar för modellering och spårning datorer
    7. Wiimote med spårning horn (controller)
    8. 3D-glasögon med spårnings horn (3D-glasögon) 5
  3. Placera försiktigt controller där den kan nås lätt från modellering dator, se till att inte röra eller flytta de sfäriska IR spårning markörer kopplade till den.
  4. Placera försiktigt 3D glasögon på TV-ställ (som tidigare, se till att undvika att röra de reflekterande markörer).
  5. Anslut de tre USB-kablar från IR-kameror monterade ovanför 3D-TV till 3 USB-portar på spårningsdatorn, när den är avstängd.
  6. Leta reda på 3D TV: ns fjärrkontroll och placera den framför 3D-TV.
  7. Anslut videokabeln till grafikkortet på modellering dator och videoingången på 3D-TV. Anslut även 3D IR-sändaren för 3D synkronisera utsignalen från 3D-TV, och placera sändare på TV stå nära sidan av TV, pekar upp mot där skyddsglasögon ska användas. Var mycket försiktig så att förskjuta läget för den kalibrerade TV.
  8. Slå 3D TV ON innan du sätter på modellering dator till ensäkert korrekt erkännande av datorn.
  9. Vänd på modellering dator. Efter modellering datorn startar till en inloggningsprompt, logga in på modelleringsdatorn Linux-system till en lämplig konto.
  10. När modellering datorns skrivbord är tillgänglig, använda 3D TV: ns fjärrkontroll för att kontrollera status för videokabelanslutningen genom att trycka på "info / i" -knappen. Se till att TV-skärmen visar "1920x1080 @ 60Hz" i det övre vänstra hörnet. Om inte, starta om modellering dator för att upprätta korrekta erkännande av 3D-tv. Också vara säker TV är i 3D-utgång MODE 2, med hjälp av fjärrkontrollen inställningsmenyerna.
  11. På modellering datorns skrivbord, öppna ett terminalfönster med flera flikar.
  12. På spårnings dator genom att bekräfta Ethernet adapter IP-adress genom att skriva "ipconfig" i ett kommandofönster.
  13. På modellering datorn öppnar ett terminalfönsterflik och kolla inom VRDevices.cfg filen att "Server" definierarspårningsdatorn ethernet adapter IP-adress.
  14. Om det behövs, ändra "servernamn" IP-adress i VRDevices.cfg att matcha spårningsdatorn Ethernet-adapter, och spara VRDevices.cfg.
  15. På spårnings datorn initiera OptiTrack Rigid Body Tool.
  16. Låt programvara för att öppna helt, klicka på den stora knappen nära toppmenyn märkt "Load Kalibreringsresultat".
  17. Bläddra till och öppna lämplig kamerakalibreringsfilen.
  18. När filen har laddats klickar du på menyn "Arkiv" och välj "Load stelkroppsdefinitioner".
  19. Bläddra till och öppna lämplig stel kropp definitionsfilen för spårade controller och 3D-glasögon.
  20. På den högra rutan i mjukvara, lokalisera sektionen märkt "Streaming", utöka avsnittet och under kategorin "VRPN Streaming", kontrollera att portnumret som anges är 3883, kontrollera sedan "Bredcast ramdata "rutan innanför" kategorin VRPN Streaming Engine ".
  21. Vid modellering dator, se till att regulatorn är antingen direkt i handen eller omedelbart nås (2 sek bort på mest).
  22. På modellering datorn ta upp en flik i terminalfönstret skapade tidigare i den här sessionen och navigera till och sedan inleda VRDeviceDaemon programvaran, t.ex. skriva "./VRDeviceDaemon".
  23. Följ uppmaningen till Om aktiviteten var framgångsrik, kommer fönstret visar nu "tryckknappar 1 & 2 på Wiimote samtidigt." "VRDeviceServer: Väntar på klientanslutning".

4. Testa 3D / VR Visualisering System Använda NCK Software

Följande uppsättning instruktioner beskriver hur du använder NCK mjukvaru menyerna på skärmen för att upprätta controller verktygsfunktioner, och sedan hur man bygger och manipulera ett kol nanotuvara i 3D / VR arbetsyta från ingående kolatomer (Figur 4). Instruktioner om hur du mäter obligations vinklar och avstånd (Steg 4.4.10) resulte finns tillgängliga online 10.

Figur 4
Figur 4. Grundutbildning elev använder 3D / VR Visualisering System för att studera kolnanorör (cnts) Foton (A) -.. (F) visar byggprocessen av en enkel vägg CNT Klicka här för att se en större version av denna siffra .

  1. Inom terminalfönstret modellering dator som skapades i steg 3.11, välj tredje fliken. För att initiera NCK mjukvaran, navigera till NCK installationskatalogen och typ:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection lokalvärd -domainsize 36 ".
  2. Att vara väldigt noga med att inte röra eller lossa bifogade spårnings markörer, sätta på 3D-glasögon och plocka upp styrenheten. Justera huvud / goggle visningsläge för att säkerställa 3D-glasögon får 3D-tv IR-sändarsynksignal, vilket gör 3D / VR visning av TV-skärm.
  3. För att ha en uppsättning verktyg för att lägga till, flytta och ta bort atomer, tilldela NCK kommando associationer till knapparna på regulatorn enligt följande:
    1. Ta fram huvudmenyn NCK på skärmen genom att hålla på hemknappen på Wiimote, navigera till och välja "Åsido Verktyg" i menyn, sedan släppa knappen Hem. Detta tillåter tilldelning av kommandon till olika knapparna på regulatorn oberoende av varandra.
    2. Att associera Wiimote trigger knappen (på undersidan av styrenheten) med verkan av att manipulera atomer inom NCK, tryck och håll avtryckaren, navigera i NCK på skärmmenyn till & #8220; Dragger "och välj" 6-DOF Dragger "släpp sedan utlösaren. Den utlösande nu förknippas med verkan av manipulera atomer.
    3. För att tilldela funktionen att lägga en atom till "+" knappen på Wiimote, ta huvudmenyn upp genom att hålla på hemknappen, navigera till "strukturell enhet Typer", och välj "Triangle", släpp sedan knappen Hem .
    4. Nästa tryck och håll knappen "+", navigera till "Dragger" och välj "6-DOF Dragger" släpp sedan knappen "+". Den "+" knappen nu med att skapa nya atomer av typen vald (kolatomer representerade av trianglar, i det här fallet).
    5. För att tilldela funktionen att radera en atom till "-" knappen på Wiimote, att öppna huvudmenyn genom att trycka på och hålla "Home" -knappen, sedan navigera till "strukturenhetstyper," och välj & #8220; Radera utvalda enheter, "släpp sedan knappen Hem.
    6. Nästa, tryck och håll "-" knappen, navigera till "Dragger" och sedan "6-DOF Dragger" och släpp "-" knappen. Den "-" knappen nu förknippas med radering atomer.
    7. Följ ett liknande förfarande för att tilldela funktioner "låsa Valda Units" till "1" Wiimote knappen och "Lås utvalda enheter" till "2" controller knappen.
  4. När regulatorn knapparna har konfigurerats, skapa en kolnanorör använder NCK enligt följande:
    1. Använda "+" knappen, lägga till två 3-obligations triangulära kolatomer till NCK arbetsytan. Manipulera dessa med triggerknappen tills de går på ett hörn.
    2. Lägg 4 fler kolatomer för att skapa en hexagonal stjärnform.
    3. Använda menyn "Home", gå till "I / O-menyer", därefter "Spara Units.
    4. Flytta 6 spetsiga struktur bort från den aktuella positionen.
    5. Använda menyn "Home", gå till "I / O-menyer", sedan "lastenheter.
    6. Upprepa de sista 2 steg tills en 6 av 6 ark av sexkantiga 6-atom ringar har skapats (Figur 5A).
    7. Använda "1" -knappen, låsa en atom i den översta raden, och en motsatt atom i den nedersta raden. De låsta atomer kommer att märkas med en rosa färg (Figur 5B).
    8. Med hjälp av trigger knappen, försiktigt flytta en av de låsta atomer i en cirkelbåge tills dess fria vertex närmar sig fria vertex av motsatta låst atomen. En grön linje visas mellan hörnen när de är tillräckligt nära att atom attraktion kommer att orsaka dem att gå med en obligation (figur 5C). När gått med, låsa båda atomerna med knappen "2".
    9. Fortsätt på samma sätt låsning, sammanfogning, och upplåsning motsatta atom verTices i kolet bladet, effektivt "zippa" arket till en slutlig kolnanorör (Siffrorna 5D-5F).
      Figur 5
      Figur 5. stegvis skapa en enkel vägg CNT visar (A) en 6 x 6 ark (grafen) av hexagonala kolringar, (B) motsatta kolatomer "låst" (visas som rosa trianglar) för att möjliggöra enklare hantering mot realistiska interatomära krafter, (C) kol (grafen) plåt försiktigt böjd att tillåta bindning mellan atomer på motsatta sidor, (D) två ytterligare motsatta kolatomer låsta för att hjälpa ytterligare kol blad krökning, (E) ytterligare motsatta kolatomer bundna att fortsätta kol ark krökning i en nanotube, och (F) slutlig CNT bildas efter sekventiell bindning av motstående atomer av den ursprungliga cArbon ark (grafen). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
    10. När nanotube är klar, använd på skärmen mätverktyg för att bekräfta strukturella vinklar och avstånd 10.

5. Visualisering av Molekyldynamik Simulerings Modeller

  1. Importera en initial kristallint SiO 2 kubiska modellen i 3D / VR NCK programvara, och undersöka den ursprungliga strukturen (se figur 2A).
  2. Öppen källkod program MDCASK 11 och Lammps 12 var riktade på grund av funktioner som är väl anpassade till denna forskningsinriktning. Den sistnämnda programmet används i detta arbete med tanke på dess olika interatomära potentialer och GPU computing kapacitet. Använda Lammps MD-paketet 12, kör en simulerad smälta / släcka proceduren på denna inledande struktur för att producera en amorf SiO 2 st ructure. Detaljer om denna simulerade förfarande kan hittas i tidigare publikationer 13-15.
  3. Importera den resulte nya amorfa (oordnade) SiO 2 modellen i 3D / VR NCK programvara och undersöka strukturen (se figur 2B).
  4. Skapa en SiO 2 nanospring / nanoribbon ur den nya amorft fast med hjälp av öppen källkod NanospringCarver 16 och tillhörande instruktions dokumentation 17 (figur 6). Figur 6
    Figur 6. Illustration av atomurvalsprocessen steg-för-steg i olika skeden i skapandet av ett nanospring använder NanospringCarver programmet Parts. (A - D) anger 25%, 50%, 75% och 100% slutförandet av denna process 17.target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
  5. Använd Lammps MD-paketet för att utföra drag simuleringar på nanospring / nanoribbon (Figur 7). Detaljer om detta förfarande kan hittas i en tidigare publikation 15.
    Figur 7
    Figur 7. Snapshot bild från Lammps MD kiseldioxid helixnanostruktur (nanoribbon) dragsimuleringsresultat.
  6. Använd öppen källkod programvaruverktyg VMD (Visualisera Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19, och FFmpeg 20 för att skapa ögonblicksbilder och animation av spiralnanostruktur i hela denna simulering (Animated Figur 1), för presentation i 3D / VR Visualisering System. Klicka här för en större version av denna siffra.

Animerad Figur 1 . Animation av spiralformade nanostruktur dragsimulering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Denna 3D / VR Visualisering System presenterar nya möjligheter för att genomföra material naturkunskap. Eftersom detta uppslukande miljö fungerar i realtid, i form av 3D-inmatning och visning, är forskaren presenteras med en helt interaktiv nanoscaled instrument 2. Genom att följa det protokoll som presenteras här, var en silika spiralformig nanoribbon skapades i detta steg-för-steg sätt. En ögonblicksbild av denna struktur producerad från Lammps MD visas i Figur 7. Denna struktur utsätts för simulerade dragprovning, och resultaten av denna simulering visas i animerad figur 1, som illustrerar rekonstruktion och brott i konstruktionen under dragkrafter.

Genom att kombinera realtidsinteraktivitet och visuell karaktär en uppslukande miljö med kraftiga MD simuleringar 15, kan forskarna dra nytta intuitiv kontroll och fullfjädrad analys.

The förbättrad 3D / VR Visualisering System med MD kapacitet var noggrant testade och genomförs i nanoforskning i Davila Lab vid UC Merced, med fokus på drag simuleringar av amorfa kiselnanotrådar, nanoribbons och nanosprings 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiska element i en lyckad installation och användning av 3D / VR Visualisering System beskrivs i den fysiska miljön och Design Överväganden och Att tänka på kompletterande material. Viktiga överväganden installations inkluderar 3D höjd för bekväm långtids stående eller sittande användning, maxim spårning kamera monterad höjd för att skapa en stor 3D arbetsområde, stabil spårning kamera och 3D stöd för att behålla konfigurationen med tiden, och avlägsnande av IR-reflekterande element från 3D arbetsområdet. Som nämnts i monteringsanvisningen, om tillgängliga spårning kameran monteringshöjd är begränsad, kan alternativa kameraorientering vara nödvändig för att skapa den största 3D arbetsområdet.

Under konfigurationen av mjukvara, är viktigt för slut spårning noggrannhet staven capture steget. Försiktighet bör vidtas för att flytta reflekterande trollspö thorligt och smidigt hela spårningskameraöverlappningsområdet utan att blockera någon kamera eller införa något sekundärt reflekterande föremål, upprepa detta steg som behövs tills de nödvändiga felvärden uppnås. Som påpekas i ovan nämnda sektioner under systemanvändning kan det vara viktigt att skapa en liten sköld på 3D glasögon för att förhindra störningar från spårnings IR-signal med 3D synkroniserings IR-signal, och att använda färska 3D goggle batterier för att maximera goggle 3D synkronisering. Dessutom bör konsekvent försiktighet iakttas för att inte röra eller ändra 3D glasögonen och Wiimote IR-reflekterande sfärer, och att inte fysiskt flytta spårnings kamera eller 3D visningslägen för att bibehålla korrekt 3D spårning och bildbehandling.

Andra tidigare ansträngningar har fokuserat på MD och realtidsinteraktivitet (t.ex. via VMD, en populär molekylär visualisering och modellering programvara för biomolekylära system 21) medan nyare närmar hektarve genomfört andra användargränssnitt och 3D gest och röst kontrollerar 22. En annan grupp 23 har skapat programvara som integrerar adaptiva, inkrementella algoritmer för att uppdatera den potentiella energin och interatomära krafter inom nanosystem. Det system som beskrivs i detta arbete ingår ett särskilt mål som den består av 3D-visualisering av nanomaterial via öppen källkod NCK programvara 6, med interaktivitet i en virtuell verklighet miljö och MD simuleringar kapacitet via Lammps öppen källkod 12. Denna kod ger flexibilitet eftersom olika robusta interatomära potentialer finns att studera nanomaterial, för materialvetenskaplig forskning. Således systemet i detta arbete ingår liknande inslag av MD simulering och interaktivitet som vissa andra metoder, men med fokus på nanomaterialforskning.

Betydelsen av 3D / VR Visualisering System beskrivs här är att det är enklare och billigare att installera, end flexiblare att använda för den genomsnittliga forskare eller pedagog, än dyrare specialiserade djupgående miljöer. Tillsatsen av GPU-accelererade MD simulering kapacitet utnyttjar denna snabbt växande datortekniken för att skapa en energi och utrymme bevara, högpresterande datormiljö inom laboratoriet. Denna roman uppslukande verktyg i kombination med avancerade analysfunktioner är kraftfull och effektiv för användning inom områden som materialvetenskap, och är unikt lämpad för nanoforskning och utbildning. Detta system valdes att visas upp i juni 2012 serien "Vårt Digital Life" 24 på UCTV (ett offentligt-servering media utlopp och det första universitetet drivna YouTube ursprungliga kanalen).

Som både en forsknings- och utbildningsverktyg, 3D / VR Visualisering System med accelererad MD kapacitet främjar tvärvetenskapligt samarbete och integration av forskning och nya inlärningsmetoder, inklusive coach-style undervisning, aktivt lärande, och flera lärstilar, inklusive användning av interaktiva handböcker utvecklats för systemet 3. Genomförandet av 3D / VR Visualisering System har resulterat i fackgranskade publikationer, flera konferenspresentationer, ett examensarbete, en NSF utmärkelse, och tvärvetenskapliga samarbeten.

Potentiella framtida utveckling och expansion av den beskrivna 3D / VR visualiseringssystem kan omfatta tillägg av menystyrda verktyg i NCK 3D-gränssnitt för att underlätta direkt interaktion med MD-programmet (Lammps), samtidigt som den är i den virtuella verkligheten miljön.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Samsung 61" 3D-capable high definition DLP TV Samsung http://www.samsung.com/us/video/tvs See Protocol Section 3 (Step 3.2)  (Large format 3D-capable TV)
Alienware Area51 750i modeling computer Alienware http://www.alienware.com See Protocol Section 1 (Step 1.1)  (Modeling computer)
HP EliteBook 8530w tracking computer HP http://www.hp.com See Protocol Section 2 (Step 2.3)  (Tracking computer)
V100:R2 IR tracking cameras (3) Naturalpoint http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/ See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4]  (Tracking cameras)
OptiTrack Tracking Tools IR tracking software Naturalpoint http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/ See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4]  (Tracking software)
3D Goggles and 3D TV IR sync emitter Ilixco http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5]  (3D goggles)
Wiimote 3D controller Nintendo http://www.nintendo.com/wii See Protocol Section 3 (Step 3.2)  (Wiimote)
VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software Open source software http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6]  (VRUI, NCK)
LAMMPS molecular dynamics software Open source software http://lammps.sandia.gov/  See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12]  (LAMMPS)
NanospringCarver program code and files UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)
MATLAB GUI files UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)
Atomistic bulk glass input file UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kreylos website, O. Low-Cost VR 3D/VR tutorial. University of California Davis. Davis, CA. Available from: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html (2013).
  2. Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).
  3. Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).
  4. IR tracking camera and software source. Naturalpoint. U.S.A. Available from: http://www.naturalpoint.com/optitrack (2013).
  5. 3D goggle source. Ilixco. U.S.A. Available from: http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html (2013).
  6. Kreylos, O. Nanotech Construction Kit. University of California Davis. Davis, CA. Available from: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html (2013).
  7. Compute Unified Device Architecture (CUDA). U.S.A. Available from: http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html (2013).
  8. Graphics Processing Unit (GPU) computing. U.S.A. Available from: http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html (2013).
  9. GPU applications. U.S.A. Available from http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS (2013).
  10. “3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol” and “3D/VR Visualization System – CNT Modeling Example” documents. University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
  11. MDCASK molecular dynamics code. Livermore National Laboratory. Livermore, CA. Available from: https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask (2013).
  12. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code. Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2014).
  13. Feuston, B. P., Garofalini, S. H. Empirical three-body potential for vitreous silica. J. Chem. Phys. 89, (9), 5818-5824 (1988).
  14. Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91, (20), 2055011-2055014 (2003).
  15. Doblack, B. N. The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. University of California Merced. Merced, CA. (2013).
  16. NanospringCarver. University of California Merced. Merced, CA. Available from: http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
  17. Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization. J. Vis. Exp. In-Press, Forthcoming.
  18. Visualize Molecular Dynamics (VMD). Open source molecular visualization software. U.S.A. Available from: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd (2013).
  19. ImageMagick. U.S.A. Available from: http://www.imagemagick.org (2013).
  20. FFmpeg. Open source multimedia file converter. U.S.A. Available from: http://www.ffmpeg.org (2013).
  21. Interactive Molecular Dynamics Simulation. Theoretical and Computational Biophysics Group. U.S.A. Available from: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd (2014).
  22. Molecular Control Toolkit. Aquaria: Integrating Sequences, Features, and 3D Structures. Australia. c2013-2014 Available from: http://aquaria.ws (2014).
  23. Nano-D Research Group. Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems. France. Available from: http://nano-d.inrialpes.fr (2014).
  24. University of California Television (UCTV). Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. University of California. U.S.A. Available from: http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats